Uma Solução de IoT para Uso Eficiente de Energia Elétrica

Uma Solução de IoT para Uso Eficiente de Energia Elétrica em Prédios Inteligentes
Jorge Pereira, Thais Batista, Everton Cavalcante
Bárbara Gabriella Soares
Departamento de Informática Aplicada - DIMAP
Universidade Federal do Rio Grande do Norte- UFRN
Natal, Brasil
{jorgepereirasb, thaisbatista
evertonranielly}@gmail.com
Departamento de Engenharia da Computação – DCA
Universidade Federal do Rio Grande do Norte- UFRN
Natal, Brasil
[email protected]
Maíla Alves
Instituto Metrópole Digital - IMD
Universidade Federal do Rio Grande do Norte- UFRN
Natal, Brasil
[email protected]
Resumo— A eficiência energética é, atualmente, reconhecida
como uma meta internacional para promover a sustentabilidade
do planeta [1]. Nessa perspectiva, esse artigo apresenta uma
solução de Internet das Coisas (Internet of Things – IoT), o
sistema SmartPlace, que tem como objetivo gerenciar, de forma
automática, aparelhos de ar-condicionado e lâmpadas existentes
em um ambiente fechado, promovendo economia de energia e
proporcionado mais conforto e praticidade a seus usuários.
Palavras-chave: IoT; economia de energia; monitoramento
ambiental
I.
INTRODUÇÃO
A importância da energia elétrica, como recurso essencial,
está bastante clara para toda a sociedade. O seu uso
consciente e eficiente contribui para a redução da emissão de
gases de efeito estufa e é um dos elementos do planejamento
da expansão do sistema elétrico; sendo, portanto, um objetivo
de valor inquestionável [2]. Dados coletados pela Agencia
Internacional de Energia mostram que a quantidade de
energia elétrica consumida e emissão de CO2 no ambiente
têm crescido consideravelmente nas ultima décadas e tendem
a continuar crescendo.
De acordo com [3], os setores que mais consomem energia
elétrica no mundo são: indústria, transportes, agricultura,
serviços e residências. No entanto, ultimamente, com o
crescimento populacional, aumento do nível de conforto nas
residências, e outros fatores, a quantidade de energia
consumida nas residências e prédios comerciais tem se
equiparado aos níveis de consumo da indústria e transportes.
No Brasil, por exemplo, o consumo de energia elétrica nas
edificações residenciais e comerciais, de serviços e públicas,
correspondem a aproximadamente 50% do total da
eletricidade consumida no país [2].
Aparelhos de ar-condicionado e lâmpadas são os que mais
contribuem para o exacerbado consumo de eletricidade em
residências, estabelecimentos comerciais e prédios públicos.
De acordo com [4], condicionadores de ar são responsáveis
por até 48% do consumo de eletricidade em prédios públicos,
enquanto a iluminação corresponde a 24% do consumo. O
consumo de eletricidade por parte desses aparelhos pode ser
minimizado através do melhor uso dos mesmos. Nessa
perspectiva, esse artigo apresenta o sistema SmartPlace, que
tem como objetivo realizar o gerenciamento de aparelhos de
ar-condicionado e lâmpadas localizados em um ambiente
fechado. O Sistema segue a ideia de Internet das Coisas
(Internet of Things – IoT), fazendo uso de sensores e
atuadores, a fim de monitorar o ambiente e, com base nas
medições, gerenciar os aparelhos de ar-condicionado e
lâmpadas, controlando a temperatura do ambiente e
acionando esses equipamentos somente quando há alguém no
ambiente, contribuindo, desta forma, para a economia de
eletricidade e maior conforto e praticidade para seus usuários.
II.
SMARTPLACE
O SmartPlace é composto por um conjunto de sensores,
atuadores e um sistema Web. Esses componentes são
organizados de maneira distribuída pelo ambiente e
comunicam-se entre si via rede. O SmartPlace agrega sensores
de temperatura, presença e umidade, e com base nas medições
aferidas por estes, gerenciar aparelhos de ar-condicionado,
regulando a temperatura do ambiente, acionando e
desativando esses aparelhos. Os elementos que compõem a
SmartPlace serão descritos a seguir.
Sistema Web. O sistema web do SmartPlace é responsável
por receber e processar os dados provenientes dos sensores e,
com base neles, acionar os atuadores, que irão realizar ações
que modificarão o ambiente no qual estão inseridos. Por
exemplo, em resposta aos dados de presença e temperatura
aferidos pelos sensores, o sistema web é capaz de acionar
atuadores que irão alterar as configurações do aparelho de arcondicionado, a fim de regular (aumentar ou diminuir) a
temperatura do ambiente. O sistema web oferece, para os
sensores, uma interface REST [5] utilizada pelos mesmos
para envio dos dados aferidos no ambiente. Os dados são
enviados por meio do protocolo HTTP, fazendo uso do
método POST. O sistema também oferece para os usuários
uma interface web por meio da qual os mesmos podem: i)
registrar os sensores e aparelhos de ar-condicionado
gerenciados pelo SmartPlace; ii) consultar o histórico das
medições aferidas pelos sensores; iii) consultar o histórico
das ações (ligar, desligar, aumentar temperatura, diminuir
temperatura) realizadas sobre os aparelhos de arcondicionado; e, iv) verificar o status (ligado ou desligado) de
cada aparelho de ar condicionado gerenciado.
Sensores. Os sensores são os elementos responsáveis por
aferir dados no ambiente e envia-los ao sistema web do
SmartPlace. Atualmente, o SmartPlace agrega sensores de
presença, temperatura e umidade. Esses dispositivos foram
conectados em um Arduino Uno que realiza constantemente a
leitura dos dados aferidos pelos mesmos e os envia ao sistema
web. Também foi conectado ao Arduino um Shield Ethernet,
por meio do qual os dados são enviados, via rede, ao sistema
web. A Figura 1 ilustra um dispositivo Arduino Uno, no qual
estão conectados o Shield Ethernet, sensor de presença (PIR
Sensor – sensor branco) e sensor de umidade e temperatura
(DHT11 Sensor – sensor azul).
desejado. Caso uma dessas premissas seja verdadeira, o
SmartPlace irá verificar se foram registrados, em um intervalo
de tempo próximo, dados que indicam a presença de pessoas
no laboratório. Caso existam pessoas no laboratório o sistema
irá regular a temperatura para o valor desejado. Caso o sistema
verifique que foi decorrido um intervalo de tempo de 15
minutos sem presença de pessoas no laboratório, os aparelhos
de ar-condicionado são automaticamente desativados, a fim de
evitar desperdício de eletricidade. Futuramente, o sistema será
instalado também em outros laboratórios e salas existentes na
universidade.
Figura 2. Atuador composto por um dispositivo Raspberry
pi e led emissor infravermelho
IV.
Figura 1. Arduino Uno com sensores
Atuadores. Os atuadores são os elementos responsáveis por
receber, do sistema web, instruções sobre ações a serem
realizadas sobre o ambiente no qual encontram-se inseridos.
Atualmente, o SmartPlace conta com um atuador responsável
por realizar as ações de: acionar, desativar, aumentar e
diminuir a temperatura dos aparelhos de ar-condicionado
gerenciados. O atuador em questão foi implementado sobre
um Raspberry pi, um microcomputador programável de baixo
custo, o dispositivo foi equipado com um led emissor
infravermelho utilizado para emitir comandos (ligar, desligar,
aumentar e diminuir a temperatura) para os aparelhos de arcondicionado. No Raspberry pi foi implantado um software
que recebe, via rede, instruções enviadas pelo sistema web
sobre quais ações realizar sobre o aparelho de arcondicionado. Essas instruções são recebidas e, para cada uma
delas, um comando correspondente é enviado ao aparelho de
ar-condicionado através do led emissor infravermelho. A
Figura 2 ilustra esse atuador.
III.
IMPLANTAÇÃO DO SMARTPLACE NA UFRN
Para fins de testes e validação, o SmartPlace está
atualmente implantada no Laboratório de Interação HumanoComputador do prédio Instituto Metrópole Digital – IMD, na
UFRN. Nesse laboratório foram instalados os sensores de
temperatura, umidade e presença, além do atuador responsável
por enviar comandos ao aparelho de ar-condicionado, o
sistema web foi implantado em uma as máquinas existentes no
laboratório. O SmartPlace tem por objetivo manter a
temperatura do laboratório entre 24 e 25 graus célsius. Desse
modo, ao receber os dados de temperatura, o SmartPlace
verifica se a temperatura está acima ou abaixo do valor
CONCLUSÃO
Esse artigo apresentou, brevemente, o SmartPlace, um
sistema em fase de desenvolvimento e testes, que gerencia
aparelhos de ar-condicionado com base em medições aferidas
por sensores de presença e temperatura espalhados pelo
ambiente, contribuindo para o melhor uso dos equipamentos e
para a economia de energia elétrica. Futuramente, o sistema
irá gerenciar também as lâmpadas existentes no ambiente, a
fim de que as mesmas sejam acionadas somente quando
necessário, e automaticamente desligadas quando não
existirem pessoas presentes no ambiente. O sistema está
atualmente em fase de integração com o sistema de
gerenciamento de reservas de salas e laboratórios utilizado na
universidade. Com essa integração será possível tomar
decisões sobre como melhor gerenciar os aparelhos de arcondicionado com base no registro de reservas de cada sala.
REFERENCIAS
[1] MORENO, M. V. et al. How can We Tackle Energy Efficiency in IoT
Based Smart Buildings? Sensors, 6 (14), p. 9582-9614, Maio 2014.
[2] O QUE FAZER PARA TORNAR MAIS EFICIENTE O USO DE
ENERGIA ELÉTRICA EM PRÉDIOS PÚBLICOS. Acesso em
10/2016.http://www.mme.gov.br/documents/10584/1985241/cartilha+E
NERGIA+op1.pdf.
[3] PÉREZ-LOMBARDA, L.; ORTIZB, J.; POUTB, C. A review on
buildings energy consumption information. Energy and Buildings, v.
40, n. 3, p. 394–398, janeiro 2008.
[4] NOGUEIRA, S. Eficiência Energética em Prédios Públicos Federais.
[Acesso
em
10/2016.
http://www.mma.gov.br/estruturas/a3p/_arquivos/apresentacao_solange
_nogueira.pdf.
[5] FIELDING, R. T.; TAYLOR, R. N. Principled design of the modern Web
architecture. ACM Transactions on Internet Technology (TOIT),
NY, USA, v. 2, n. 2, p. 115-150, maio 2000